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观察丨“奋斗者”号创造中国载人深潜新纪录 逐梦深蓝

来源:中央纪委国家监委网站    发布时间:2020-11-20 08:28 分享

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11月19日6时47分,我国自主研制的“奋斗者”号全海深载人潜水器布放入海,10时09分坐底马里亚纳海沟。“奋斗者”号载人潜水器采用了安全稳定、动力强劲的能源系统,拥有先进的控制系统和定位系统以及耐压的载人球舱和浮力材料。这是“奋斗者”号载人潜水器入水时的场景。(中国船舶集团 供图)

在逐梦深蓝的路上,中国人又“潜”进了一大步。

11月19日10时09分,由我国自主研制的“大国重器”——“奋斗者”号全海深载人潜水器成功坐底马里亚纳海沟。这是继11月10日、13日、16日三次万米级海试后,“奋斗者”号再探万米洋底。

马里亚纳海沟是全球最深的海沟,像一座在海底倒立的山峰,海沟最深处“挑战者深渊”测得最大深度为11034米,相当于珠穆朗玛峰顶叠加一座西岳华山的海拔高度,是已知海洋最深处。11月10日,“奋斗者”号坐底“挑战者深渊”,创造了中国载人深潜新纪录,也是世界上首次同时将3人带到海洋最深处。

坐底深度10909米,创造中国载人深潜新纪录

短短10天内,“奋斗者”号四探洋底。

11月10日,北京时间清晨4时20分左右,在早两个时区的马里亚纳海沟,太阳已从太平洋上升起,“奋斗者”号载着3名潜航员,从“探索一号”母船机库缓缓推出,被稳稳地起吊布放入水,蛙人解缆后注水下潜。舱内,显控面板上的深度数字逐渐增大,舷窗外的颜色从碧蓝到深蓝到变暗,直至一片漆黑。

8时12分,“奋斗者”号在马里亚纳海沟成功下潜到10909米,成为中国历史上第一艘下潜到“挑战者深渊”的载人潜水器。

之后,在11月13日海试任务中,“奋斗者”号载人潜水器和“沧海”号深海着陆器联合作业,实现万米水下全球首次高清视频信号直播和传输;11月16日,“奋斗者”号仅用半小时左右的时间就找回了此前布放在海底的3个取样器,作业难度堪比“大海捞针”。这项操作对深海科考特别是未来实现深海科研的原位培养、长期监测等意义重大。

11月19日“奋斗者”号下潜,是此轮万米海试的“交卷”一关。它承担着复核洋底科考作业功能的任务,坐底后开启巡航和作业模式,进行潜水器功能性能检测,测试机械手,并在找到“沧海”号后与其联合作业。

据介绍,“奋斗者”号由中国船舶集团有限公司第七〇二研究所(以下简称七〇二所)牵头总体设计和集成建造,中国科学院深海科学与工程研究所作为业主单位牵头开展海试。

深海万米之处是科研“无人区”,载人潜水器是进入“无人区”的科考利器

从外观上看,“奋斗者”号像一条大头鱼,“肚子”涂成了绿色,这是因为绿光在海水中衰减较小,便于在深海捕捉到它的身影。而头顶呈醒目的橘色,也是便于上浮到水面时能被母船快速发现。

深海万米之处可谓是科研“无人区”,载人潜水器则是进入“无人区”的科考利器。“大头鱼”不仅涂装靓丽、灵动自如,而且“肚”里有货。“奋斗者”号可以同时搭载3名潜航员和科学家下潜,作业能力覆盖全球海洋百分之百海域。

据七〇二所副所长,“奋斗者”号总设计师、万米海试总指挥叶聪介绍,这次万米海试,“奋斗者”号载人潜水器运行团队逐渐压缩,将把更多的位置留给科学家。

“深海非常震撼,我观测到这里有海参!”在一段来自万米海底的通话中,中国科学院深海科学与工程研究所研究员贺丽生分享了她的探险发现。

与前三次只有潜航员下潜不同,11月19日,除了两名潜航员外,贺丽生以科学家的身份参与下潜。据浙江大学海洋学院教授陈鹰介绍,科学家通常坐在潜水器右舷,舱内配有丰富的作业工具,供其在海底进行观测、采样、培养等科考任务。

“我们此次科考任务包括以生物为重点,观察万米深渊海底生物的种类等,也会择机采一些生物样本。我们还带了一些自主工作的采样装置,像序列采水器、原位化学实验装置。”贺丽生说。

“双船双潜”是“奋斗者”号海试关键词,双母船为海试任务保驾护航

“双船双潜”,是“奋斗者”号海试任务的关键词。

“双船”,是为“奋斗者”号深潜护航的双母船——“探索一号”(支持船)和“探索二号”(保障船);“双潜”指的是双潜水器:一个是主角,即“奋斗者”号,另一个则是主角的“御用摄影师”——“沧海”号。

顾名思义,母船像一位母亲,深海潜水器要想在万米级深度自由探索,离不开母船的全力保障。

“探索一号”科考船长94.45米、型宽17.9米,是一艘战功赫赫的海洋科考“老大哥”。它也是载人潜水器“深海勇士”号的科考母船,还曾搭载无人潜水器“海斗一号”等深海科考利器进行万米级无人科考活动。

相比于经验丰富的“探索一号”,“探索二号”是新手上路。它长87.2米,型宽18.8米,是中国首艘专为万米深海科考打造的母船,今年6月才出坞。它是一个多功能海洋科考平台,可搭载60名科考队员和船员开展海试任务,海上连续工作最远距离大于15000海里,连续工作最长时间超75天。

“探索二号”不仅吨位大、性能好,而且搭载的许多科研设备和探测神器都由我国自主研发。

中国船舶集团有限公司第七〇四研究所(以下简称七〇四所)是参与研制“探索二号”船国产化科考设备的主要单位,主要负责研制“探索二号”船上的科考作业水面支持系统。

据七〇四所工作人员介绍,以温盐深仪(CTD)吊放装置为例,这是测量万米深海环境的专用装置,也是科考作业水面支持的关键装备,曾长期被国外“卡脖子”。去年年底,七〇四所自主研发的CTD吊放装置通过验收,使这一深海装备迈入国产化时代。

从伸缩折臂吊、CTD吊,到全海深地质绞车、6000米光电缆绞车,再到水声通信、水声定位、多波束等深海声学设备,“探索二号”共增装14台全国产化科考装备,彻底摆脱长期以来对国外厂家水面支持装备的依赖,标志着我国在全海深科考作业装备能力上又进一步。

“沧海”号与“奋斗者”号搭档,直击洋底作业第一现场

由于阳光无法抵达,深海区一片漆黑。要想一睹“奋斗者”号在海底的英姿,打光拍照必不可少。与“奋斗者”号一同探秘海底的还有“沧海”号,它是一台全球独家的深海着陆器,可以进行全海深4K超高清视频的拍摄、采集和传输处理,不仅可以搭载全海深高清相机,直播回传万里洋底的实时画面,还能记录“奋斗者”号的一举一动,是后者当之无愧的“御用摄影师”。

此外,“沧海”号有一个“小助理”——其内部的移动机器人“凌云”号。它可以在海底自由活动,提供更多角度的照明,为直击“奋斗者”号洋底作业提供第二机位。

“奋斗者”号与“沧海”号不是同时“捆绑”入海,二者如何找到对方搭档作业呢?

据了解,“沧海”号会先下潜到海底,成为水下拍摄的主机位,并运行预先设置的自动程序,将内部移动机器人“凌云”号唤醒,通过自动程序设计路径移动,作为水下拍摄的第二机位。

“沧海”号就绪后,“奋斗者”号紧随其后向海底下潜,坐底后通过声学通信定位和探测雷达,在漆黑的海底找到“沧海”号,并从“沧海”号的上方缓缓驶入画面中央,稳坐镜头前。之后,“奋斗者”号和“沧海”号只需要将各自搭载的通信设备互相对准,就可以对话合作了。

“奋斗者”号有一颗强大的中国“心脏”,国产化率超96.5%

下潜深度,标注着中国深潜事业的创新高度。“奋斗者”号能在万米洋底勇往直“潜”,得益于有一颗强大的中国“心脏”。

作为我国唯一一台可以搭载人员下潜到海底一万米的科考装备,“奋斗者”号代表了当前深海工程技术领域的顶级水平,更在多个关键技术和重要材料领域拥有国产化核心,国产化率超过96.5%。

中国科学院声学研究所研究员、“奋斗者”号潜航员杨波和他的团队经历了从“蛟龙”号、“深海勇士”号到“奋斗者”号的一次次任务。“载人深潜突破新的深度纪录,我们都明白很难,但是必须要完成。实际上,从9000米到11000米,对我们来说都是未知的空白。”杨波说,通过科研团队的充分准备和攻关,团队得以战胜一系列“不确定”。

“奋斗者”号全海深载人潜水器是“十三五”国家重点研发计划“深海关键技术与装备”重点专项的核心研制任务,2016年立项,由七〇二所牵头,中科院深海科学与工程研究所等20家科研院所、13家高校、60余家企业,近千名科研人员开展关键核心技术攻关。

据叶聪介绍,走向深海第一个难题就是海水带来的高压。“奋斗者”号下潜的马里亚纳海沟最深处,水压超过110兆帕,相当于2000头非洲象踩在一个人的背上。如此高压,意味着潜水器的材料、结构设计等都面临严峻挑战,“奋斗者”号该如何抗压?

首先要有一身坚固的“铠甲”。经过多年上千次的优化测试,中国自主研发的全新高强高韧钛合金足以应对深海的高压和冲击。

搞定材料只是万里长征第一步,想要成功下潜万米,还需要极其精密的制造、冷弯、焊接技术,保证球舱的可靠性。研发团队改进焊接方式,从焊缝多、工期长的传统“瓜瓣焊接”改为焊缝少、可靠性高的“半球焊接”。“奋斗者”号钛合金载人球舱直径达2米,是世界最大,标志着我国钛合金材料技术和焊接加工技术已经达到国际领先水平。

除了解决水压问题,“奋斗者”号还需要解决操控、供氧、电池、照明、影像、自动巡航、水声通信等一系列问题,还要搭载相关人员、一系列科学设施等在水中完成科考作业,这进一步加大了制造难度。

在“蛟龙”号、“深海勇士”号载人潜水器研制与应用的基础上,历经多年艰苦攻关,“奋斗者”号研发团队在耐压结构设计及安全性评估、钛合金材料制备及焊接、浮力材料研制与加工、声学通信定位等方面实现技术突破,顺利完成了潜水器的设计、总装建造、陆上联调、水池试验和海试验收,具备了全海深进入、探测和作业能力,已转入试验性应用阶段。

由300米到10909米,逐渐增加的不只是下潜深度

“深海是人类在地球上了解最少的区域,深海地下更是一片未知世界。”海洋地质学家、中国科学院院士汪品先这样评价。

未知多,风险大,潜向万米海底的路道阻且险。中国深海探索技术事业起步较晚,始于上世纪70年代。1971年,“深潜救生艇研制工作组”即“7103研制工作组”成立。5年后,深潜救生艇设计工作完成。1986年,中国第一艘深潜救生艇完成试验,下潜深度300米,掀开了我国载人深潜新篇章。

从无到有,由浅入深。科学家们不断攻克高压、密封、腐蚀、绝缘等技术难题,拉近我国深海探索技术与国际先进水平的距离,自主研发载人潜水器的脚步越迈越大。2002年,7000米载人潜水器重大专项立项,而在立项之初,我国研制过的载人潜水器最深下潜深度只有600米。

十年磨一剑。2012年,我国第一台自主设计和集成研制的7000米级载人潜水器“蛟龙”号问世,刷新当时同类作业型载人潜水器下潜深度7062米的世界纪录。2017年,我国4500米级“深海勇士”号载人潜水器研制成功,实现“核心技术自主化,关键设备国产化”。全海深载人潜水器“奋斗者”号,正是在“蛟龙”号和“深海勇士”号基础上发展而来的最新成果。

从300米到10909米,这不仅是对自然边界的探索,更是对合金材料、水声通信、精密加工等底层技术的探索;逐渐增加的也不只是下潜深度,还有我国为地球板块运动等科学难题做出的研究贡献,以及在科技领域自主研发的能力与信心。

研制大深度载人潜水器带动我国深海能源、材料、结构、通讯导航定位等高新技术和产业全面发展

“奋斗者”号海底作业期间,潜航员通过潜水器搭载的声学通信系统,表达了巡航海底的感受:“万米的海底,妙不可言。”

为什么要潜到这么深?这不仅是好奇心使然。海洋面积占地球面积71%,海水占地球水资源总量97%,深海区域是探索包括生命起源和地球演化在内重大科学问题的必由之路,而进入大洋深渊开展科考并获得科研样本是深入推进相关研究、作出原始和基础性贡献的重要条件。此外,深海蕴藏着极其丰富的资源,矿物和能源储量都超过陆地。正因如此,人类一直致力于挺进深海,科学家们也从未停止对各种海洋工作潜水器的研究。

中国一直注重海洋尤其是深海研究,实现“全海深”进入,开展“全海深”科考是中国科学家孜孜以求的目标。也许有人会问,之前我国已经研制出“海斗一号”等万米级无人潜水器,为什么还要研制万米级载人潜水器呢?

“从技术角度来说,研制万米级载人潜水器会推进突破一系列关键技术问题。”中国科学院深海科学与工程研究所研究员包更生解释说,从科学角度来说,载人潜水器在进行水下科考时机动性、巡航能力更强,可搭载更多科考装备,因此既要有无人潜水器,也要有载人潜水器。

研制以“奋斗者”号为代表的大深度载人潜水器意义重大。据七〇二所专家介绍,这可以带动我国深海能源、材料、结构、通讯导航定位等高新技术和产业全面发展,不断拓展新的应用领域,同时也显示了我国在深海科技领域的科技实力和蕴藏的潜力。

未来,我国潜水器将继续向全海深谱系化、功能化方向发展,根据不同的任务和目的,选用不同下潜深度的潜水器,为海底资源、地质和深海生物调查,以及科学研究、水下工程、打捞救援和深海考古等提供支持。

惊涛骇浪间,大海充满对生命极限的考验,但并未阻挡人类勇往直前的脚步。更多像“奋斗者”号一样的大国重器,将引领人们走向更深更远。(中央纪委国家监委网站 柴雅欣)